Ludzkie ciało nie bez powodu nazywane jest fabryką biochemiczną. Przecież w każdej minucie zachodzą w nim tysiące, dziesiątki i setki tysięcy procesów utleniania, rozszczepiania, redukcji i innych reakcji. Co pozwala im płynąć z tak ogromną prędkością, dostarczając każdej komórce energii, składników odżywczych i tlenu?
Koncepcja katalizatorów
Zarówno w chemii nieorganicznej, jak i organicznej powszechnie stosuje się specjalne substancje, które mogą przyspieszać reakcje chemiczne kilka tysięcy, a czasem miliony razy. Nazwa tych związków to „katalizatory”. W chemii nieorganicznej są to tlenki metali, platyny, srebra, niklu i inne.
Ich głównym działaniem jest tworzenie tymczasowych kompleksów z uczestnikami reakcji, poprzez obniżenie energii aktywacji proces przebiega kilkakrotnie szybciej. Następnie kompleks ulega rozkładowi, a katalizator można usunąć z kuli w takim samym składzie ilościowym i jakościowym, jak przed rozpoczęciem procesu.
Istnieją dwa rodzaje reakcji katalitycznych:
- homogeneous - akcelerator i uczestnicy w jednymstan zagregowany;
- heterogeniczny - akcelerator i uczestnicy w różnych stanach, istnieje granica faz.
Dodatkowo istnieją związki o przeciwstawnym działaniu - inhibitory. Mają na celu spowolnienie niezbędnych reakcji. Na przykład pozwalają skrócić czas powstawania korozji.
Katalizatory biologiczne z natury różnią się od nieorganicznych, a ich właściwości są nieco specyficzne. Dlatego kataliza jest inna w żywych systemach.
Enzymy - co to jest?
Udowodniono, że gdyby działanie specjalnych substancji przyspieszających wskazane procesy nie odbywało się w żywych organizmach, to zwykłe jabłko w żołądku byłoby trawione przez około dwa dni. Przez taki czas rozpoczęłyby się procesy rozkładu i zatrucia produktami rozpadu. Jednak tak się nie dzieje, a owoce są całkowicie przetwarzane w półtorej godziny. Odbywa się to za pomocą katalizatorów biologicznych, które są obecne w dużych ilościach w składzie każdego organizmu. Ale czym one są i na czym polega takie działanie?
Biologiczne katalizatory o charakterze białkowym to enzymy. Ich podstawą jest złożona organizacja strukturalna o szeregu specyficznych właściwości. Mówiąc najprościej, są to unikalne białka, które potrafią zmniejszyć energię aktywacji procesów w żywych organizmach i przeprowadzić je z prędkością kilka milionów razy przekraczającą zwykłe wartości.
Istnieje wiele przykładów takich cząsteczek:
- katalaza;
- amylaza;
- oksyreduktaza;
- oksydaza glukozowa;
- lipaza;
- odwróć;
- lizozym;
- proteaza i inne.
Tak więc możemy stwierdzić: enzymy są biologicznymi katalizatorami o charakterze białkowym, które działają jak silne akceleratory, umożliwiając zachodzenie tysięcy procesów w żywych organizmach z bardzo dużą szybkością. Trawienie, utlenianie, odbudowa opierają się na ich działaniu.
Podobieństwa katalizatorów nieorganicznych i białkowych
Enzymy jako katalizatory biologiczne mają szereg właściwości podobnych do właściwości nieorganicznych. Należą do nich:
- Przyspieszenie tylko termodynamicznie możliwych reakcji.
- Nie wpływaj na przesunięcie równowagi chemicznej w układach równowagi, ale w równym stopniu przyspieszaj zarówno procesy postępujące, jak i wsteczne.
- W rezultacie w sferze reakcyjnej pozostają tylko produkty, wśród których nie ma katalizatora.
Jednak oprócz podobieństw istnieją również charakterystyczne cechy enzymów.
Różnice w zależności od natury
Katalizatory biologiczne mają kilka specyficznych cech:
- Wysoki stopień selektywności. Oznacza to, że jedno białko jest w stanie aktywować tylko określoną reakcję lub grupę podobnych. Najczęściej działa schemat „enzym – substrat jednego procesu”.
- Bardzo wysoki stopień aktywności, ponieważ niektóre rodzaje białek mogą przyspieszać reakcje miliony razy.
- Enzymy są wysoce zależne odz warunków środowiskowych. Działają tylko w określonym zakresie temperatur. Silnie wpływa również pH podłoża. Istnieje krzywa przedstawiająca wartości minimalne, maksymalne i optymalne dla każdego enzymu.
- Istnieją specjalne związki zwane efektorami, które mogą hamować naturę katalizatorów biologicznych lub odwrotnie, wywierać na nie pozytywny wpływ.
- Podłoże, na którym działa enzym, musi być ściśle określone. Istnieje teoria zwana kluczem i zamkiem. Opisuje mechanizm działania enzymu na substrat. Katalizator, podobnie jak klucz, zostaje osadzony w podłożu wraz ze swoim miejscem aktywnym i rozpoczyna się reakcja.
- Po zakończeniu procesu enzym jest częściowo lub całkowicie zniszczony.
Tak więc oczywiste jest, że znaczenie katalizatorów białkowych jest niezwykle duże dla organizmów żywych. Jednak ich działanie podlega pewnym zasadom i jest ograniczone warunkami środowiskowymi.
Nauka katalizy w szkole
W ramach szkolnego programu nauczania katalizatory są badane zarówno w chemii, jak i biologii. Na lekcjach chemii są badane pod kątem substancji, które umożliwiają przeprowadzanie syntez przemysłowych i uzyskiwanie dużej liczby różnych produktów. Na lekcjach biologii bierze się pod uwagę katalizatory biologiczne. Klasa 9 obejmuje naukę biologii molekularnej i podstaw biochemii. Dlatego właśnie na tym etapie edukacji uczniowie otrzymują podstawową wiedzę o enzymach jako substancjach czynnych worganizmy żywych istot.
Na lekcjach przeprowadzane są eksperymenty potwierdzające aktywność chemiczną tych substancji w określonych zakresach temperatur i pH środowiska:
- badanie wpływu nadtlenku wodoru jako katalizatora na surową i gotowaną marchew;
- wpływ na mięso (gotowane i surowe), ziemniaki i inne produkty.
Enzymy w ludzkim ciele
Każdy uczeń, który jest wystarczająco wykształcony i przekroczył linię edukacji średniej, wie, jak nazywa się katalizatory biologiczne. Enzymy w organizmie mają ściśle określoną specjalizację. Dlatego dla każdego procesu możesz nazwać swoją substancję katalityczną.
Więc wszystkie enzymy organizmu można podzielić na kilka grup:
- oksydoreduktazy takie jak katalaza lub dehydrogenaza alkoholowa;
- transferazy - kenase;
- hydrolazy ważne dla trawienia: pepsyna, amylaza, lipaza lipoproteinowa, esteraza i inne;
- ligazy, np. polimeraza DNA;
- izomeraza;
- zakresy.
Ponieważ wszystkie te związki mają charakter białkowy, a także kompleks witamin w składzie, wzrost temperatury ciała obarczony jest denaturacją struktury, a w konsekwencji zaprzestaniem wszelkich reakcji biochemicznych. W tym przypadku organizm jest bliski śmierci. Dlatego wysoka temperatura ciała jest koniecznie obniżana podczas choroby.
Zastosowanie katalizatorów białkowych w przemyśle
Często używane są enzymy w różnych gałęziach przemysłubranża:
- chemiczne;
- tekstylne;
- jedzenie.
Na półkach sklepów można zobaczyć środki czystości oraz proszki do prania zawierające enzymy - są to enzymy poprawiające jakość prania.
Do czego służą katalizatory biologiczne?
Trudno przecenić ich znaczenie. W końcu nie tylko pozwalają żywym organizmom żyć, oddychać, jeść, przeprowadzać procesy metaboliczne, ale także dają nam możliwość niszczenia odpadów przemysłowych, pozyskiwania leków, ochrony i ochrony naszego zdrowia i środowiska.
